第十一讲光电探测器的性能参数介绍
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(1) 功率效率
p 激光器辐射光功率
激光器消耗光功率
P ex Vj I 2R i
半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效
率来衡量激光器转换效率的高低。
P 功率效率定义为 p ex P in
Pex 为辐射的光功率；
Pin 为注入的电功率。
MSM（金属-半导体-金属）的结构，具有非常低的电容、电阻，因而具有 极高的响应速度。其冲击响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特性
探测。
光纤耦合
自由光输入
22
三、频率灵敏度Rf
当探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这
一辐射功率相应的稳定值i。
当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。
S R / Rm
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。
引入相对光谱功率密度函数， 它的定义为
f '
P ' P 'm
27
二、光谱灵敏度Rλ
只要注意到 和
dP ' P ' d '
di i d
dP ' 变化量
就有
积分上式，有
di S Rm P 'm f ' d 'd
i
0
di [ S Rm P 'm f ' d ' ] d
0
f ' d ' 0 Rm dP 'm S f ' d ' 0 f 'd '
0
26
二、光谱灵敏度Rλ
式中
0
f ' d '
1 P ' m
0
P ' d ' P / P 'm
并注意到 由此便得 R
式中
R im R m d
i Rm dK Rim K 1.0 P S f ' d '
0
S
0
s f ' d '
1 ( 2f ) 2
τ称为探测器的响应时间（或时间常数），由材料、结构和外电路决定。
24
三、频率灵敏度Rf
频率灵敏度
Rf R0 1 ( 2f ) 2
这就是探测器的频率特性，R f 随 f 升高而下降的速度与τ值大小关系很大。 一般规定，R f下降到
R0 / 2 0.707 R0
（2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标？
光电倍增管
本讲主要内容
一、积分灵敏度R 二、光谱灵敏度Rλ 三、频率灵敏度Rf
四、量子效率η
五、通量阈Pth 六、噪声等效功率NEP 七、归一化探测度D*
31
一、积分灵敏度R
灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特 性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电探测器的性能参数 周自刚
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或 近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在
红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？
一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地决定于
fc
1 2
21
三、频率灵敏度Rf
光电流是两端电压u、光功率P、光波长λ和光强调制频率f的函数，即
i F (u , P, , f )
以u，P，λ为参变量，i＝F（ f ）的关系称为光电频率特性，相应曲 线称为频率特性曲线。 i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。 i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。 i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。 一旦曲线给出，灵敏度R值就可从曲线中求出，还可以利用伏安特性
f '
0
f ' d '
K
0
f ' d '
称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。
25
三、频率灵敏度Rf
若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流 if 将随调频 f 的升 高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf 定义为
Rf
if P
i
f 0
if 是光电流时变函数的付里叶变换，通常 i f
19
四、量子效率η
dn 电 dt dn光 dt
e i (t ) P(t )Leabharlann Baiduhv
h Ri e
则量子效率和灵敏度关系
h Ri e
hc Ri e
c：材料中的光速
对某一波长的光谱量子效率 ：
量子效率正比于灵敏度，而反比于波长。
18
四、量子效率η
量子效率: 内量子效率、外量子效率和外微分量子效率
频率 fc 为探测器的截止响应频率或响应频率
fc
1 2
当 f < fc 时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。
23
三、频率灵敏度Rf
例如：德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达35GHz、
响应频率范围覆盖400nm到1.6 μm 的高速光电二极管。该光电二极管采用
等曲线来设计探测器的使用电路。
20
四、量子效率η
量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量 子数之比。 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1 实际上， <1 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。 如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率 特性，那么量子效率η则是对同一个问题的微观—宏观描述。
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)，称为探测器的光电特性。
光电鼠标灵敏度
30
一、积分灵敏度R
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri
di i dP P
(线性区内) (安/瓦) (线性区内) (伏/瓦)
或微安/流明
Ru
du u dP P
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流、 电压有效值。 光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
29
二、光谱灵敏度Rλ
光功率谱密度Pλ由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的
情况下，光电流将是光波长的函数，记为iλ，于是光谱灵敏度Rλ定义为
i R dP
Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探 测器则是选择性探测器。
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二、光谱灵敏度Rλ
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
p 激光器辐射光功率
激光器消耗光功率
P ex Vj I 2R i
半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效
率来衡量激光器转换效率的高低。
P 功率效率定义为 p ex P in
Pex 为辐射的光功率；
Pin 为注入的电功率。
MSM（金属-半导体-金属）的结构，具有非常低的电容、电阻，因而具有 极高的响应速度。其冲击响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特性
探测。
光纤耦合
自由光输入
22
三、频率灵敏度Rf
当探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这
一辐射功率相应的稳定值i。
当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。
S R / Rm
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。
引入相对光谱功率密度函数， 它的定义为
f '
P ' P 'm
27
二、光谱灵敏度Rλ
只要注意到 和
dP ' P ' d '
di i d
dP ' 变化量
就有
积分上式，有
di S Rm P 'm f ' d 'd
i
0
di [ S Rm P 'm f ' d ' ] d
0
f ' d ' 0 Rm dP 'm S f ' d ' 0 f 'd '
0
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二、光谱灵敏度Rλ
式中
0
f ' d '
1 P ' m
0
P ' d ' P / P 'm
并注意到 由此便得 R
式中
R im R m d
i Rm dK Rim K 1.0 P S f ' d '
0
S
0
s f ' d '
1 ( 2f ) 2
τ称为探测器的响应时间（或时间常数），由材料、结构和外电路决定。
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三、频率灵敏度Rf
频率灵敏度
Rf R0 1 ( 2f ) 2
这就是探测器的频率特性，R f 随 f 升高而下降的速度与τ值大小关系很大。 一般规定，R f下降到
R0 / 2 0.707 R0
（2）选择一个好的光电探测器需要注意哪些关键指标？
光电倍增管
本讲主要内容
一、积分灵敏度R 二、光谱灵敏度Rλ 三、频率灵敏度Rf
四、量子效率η
五、通量阈Pth 六、噪声等效功率NEP 七、归一化探测度D*
31
一、积分灵敏度R
灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特 性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光电探测器的性能参数 周自刚
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或 近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在
红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
（1）如何衡量一个光电探测器的质量好坏？
一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地决定于
fc
1 2
21
三、频率灵敏度Rf
光电流是两端电压u、光功率P、光波长λ和光强调制频率f的函数，即
i F (u , P, , f )
以u，P，λ为参变量，i＝F（ f ）的关系称为光电频率特性，相应曲 线称为频率特性曲线。 i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。 i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。 i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。 一旦曲线给出，灵敏度R值就可从曲线中求出，还可以利用伏安特性
f '
0
f ' d '
K
0
f ' d '
称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。
25
三、频率灵敏度Rf
若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流 if 将随调频 f 的升 高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf 定义为
Rf
if P
i
f 0
if 是光电流时变函数的付里叶变换，通常 i f
19
四、量子效率η
dn 电 dt dn光 dt
e i (t ) P(t )Leabharlann Baiduhv
h Ri e
则量子效率和灵敏度关系
h Ri e
hc Ri e
c：材料中的光速
对某一波长的光谱量子效率 ：
量子效率正比于灵敏度，而反比于波长。
18
四、量子效率η
量子效率: 内量子效率、外量子效率和外微分量子效率
频率 fc 为探测器的截止响应频率或响应频率
fc
1 2
当 f < fc 时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。
23
三、频率灵敏度Rf
例如：德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达35GHz、
响应频率范围覆盖400nm到1.6 μm 的高速光电二极管。该光电二极管采用
等曲线来设计探测器的使用电路。
20
四、量子效率η
量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量 子数之比。 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1 实际上， <1 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。 如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率 特性，那么量子效率η则是对同一个问题的微观—宏观描述。
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)，称为探测器的光电特性。
光电鼠标灵敏度
30
一、积分灵敏度R
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri
di i dP P
(线性区内) (安/瓦) (线性区内) (伏/瓦)
或微安/流明
Ru
du u dP P
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流、 电压有效值。 光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。
29
二、光谱灵敏度Rλ
光功率谱密度Pλ由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的
情况下，光电流将是光波长的函数，记为iλ，于是光谱灵敏度Rλ定义为
i R dP
Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探 测器则是选择性探测器。
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二、光谱灵敏度Rλ
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为